DE102005024812A1

DE102005024812A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Werkstückoberflächen mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102005024812A1
Application number: DE200510024812
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Mootz
Original assignee: EMAG LASER TEC GmbH
Current assignee: EMAG LASER TEC GmbH
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-11-30
Also published as: WO2006125413A1; DE202005021296U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Werkstückoberflächen mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Reinigen und Schweißen, mit einem Laserkopf (16) und diesem zugeordneter Werkstückspindel (11), die zum Greifen, Transportieren, Positionieren, Antreiben und Ablegen von Werkstücken (13) dient, wobei zur Erzielung einer für das Reinigen erforderlichen Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück (13) und Laserkopf (16) das Werkstück (13) um die Rotationsachse (20) rotiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Werkstückoberflächen mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Reinigen und Schweißen.
Beim Verbindungsschweißen von metallischen Werkstücken besteht i.d.R. die Forderung nach metallisch blanken Oberflächen. Ein geeignetes Verfahren zur Reinigung von Oberflächen, wie z.B. Entzundern, Entrosten, Entfetten, Entölen oder Entlacken ist die Behandlung mittels Laserstrahl. Dabei wird ein meist fokussierter Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Hierdurch werden Oberflächenschichten lokal aufgeschmolzen und verdampft. Sie können dann abgeblasen werden. Um ein Anschmelzen der zu reinigenden Oberfläche zu vermeiden, sind die Prozessparameter wie Laserwellenlänge, Leistungsdichte und Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Laserstrahl exakt einzustellen. Aus der DE 199 00 910 A1 ist ein Verfahren zum Reinigen bekannt, wobei die von einer Strahlenquelle austretende Laserstrahlung über Lichtleiter einem Bearbeitungskopf zugeführt wird. Um eine an die Anwendungsprozesse angepasste Ablenkungsbahn des Laserstrahls auf der zu behandelnden Oberfläche zu erzeugen, ist eine Strahlablenkung mit zwei über eine Steuereinrichtung winkelveränderlichen Ablenkspiegeln vorgesehen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem die Oberflächen von Werkstücken wirtschaftlicher gereinigt und geschweißt werden können. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin die gewünschte Relativbewegung zwischen Werkstückoberfläche und Laserstrahl durch Bewegen des Werkstücks zu erzeugen. Hierzu kann eine Werkstückspindel, die zum Transportieren und Positionieren des Werkstücks gesteuert beweglich ist, zusätzlich die für das Reinigen erforderlichen Bewegungen ausführen. Dabei ist der Laserkopf ortsfest am Maschinengestell angeordnet und die im Stand der Technik erforderlichen oszillierenden Ablenkspiegel mit den dazugehörigen Antriebs- und Stellmechanismen entfallen ersatzlos. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren zur Reinigung rotationssymmetrischer Flächen einsetzen. Die Relativbewegung zwischen Werkstückoberfläche und Laserstrahl wird dabei durch Rotation des Werkstücks und eine überlagerte lineare Vorschubbewegung erzeugt. Dieser Bewegungsablauf ist mit der Bewegung bei der Werkstückbearbeitung durch Drehen vergleichbar. Bei einer vorteilhaften Ausführung ist die Einstrahlachse des Lasers gegenüber der Rotationsachse vorzugsweise um einen Neigungswinkel von 45° geneigt. Auf diese Weise können sowohl konzentrisch zur Werkstückachse verlaufende zylindrische Flächen als auch senkrecht dazu angeordnete Planflächen gereinigt werden. Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird der Laser winkelabhängig leistungsmoduliert. Hierdurch lassen sich bzw. durch Ein- und Ausschalten entsprechende Muster erzeugen. Bei einer weiteren Ausführung werden die durch Fliehkraft vom Werkstück abgeschleuderten Schmutzpartikel von einer Abschirmung aufgefangen. Eine weitere Ausführung sieht vor, die Wirkung des Laserstrahls durch einen Blasluftstrahl zu unterstützen. Als Laserstrahlquelle wird ein CO₂ -Laser eingesetzt. Es können jedoch ebenso Festkörperlaser oder Hochleistungsdiodenlaser verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind die Bearbeitungszelle 2, die Laserquelle 5 und der die Energieversorgung und die Steuerung aufnehmende Schaltschrank 6 auf einem Trägerelement 1 montiert. Die Bearbeitungszelle 2 trägt an ihrer Oberseite Führungsbahnen 3, auf denen der Horizontalschlitten 4 in Richtung der X-Achse beweglich geführt ist. Der Antrieb erfolgt über eine Kugelrollspindel 7 mit einem Motor 8. Der Horizontalschlitten 4 trägt einen Vertikalschlitten 9, welcher entlang von Führungsbahnen 10 in vertikaler Richtung entlang der Z-Achse verfahrbar ist. Am Vertikalschlitten 4 ist die Werkstückspindel 11 drehbar gelagert. Sie trägt an ihrem unteren Ende das Spannmittel 12. Eine Transporteinrichtung 14 transportiert zu bearbeitende Werkstücke 13 in den Wirkbereich der Werkstückspindel 11 hinein und fertig bearbeitete Werkstücke 13 aus dem Wirkbereich heraus. Die Werkstückspindel 11 arbeitet nach dem sogenannten Pick-Up-Prinzip, d.h. sie greift Werkstücke 13 von der Transporteinrichtung 14 und führt zur Bearbeitungsposition 15. Dort wird die Werkstückoberfläche über den Laserkopf 13 mit Laserstrahlen beaufschlagt. Dabei rotiert das Werkstück 13 um die C-Achse und wird nach erfolgter Bearbeitung wieder auf der Transporteinrichtung 14 abgelegt. Der Laserkopf 16 ist ortsfest mit der Bearbeitungszelle 2 verbunden und wird nicht bewegt.
2 zeigt die Motorspindel 11 in vergrößerter Darstellung. Die Einstrahlachse 19 ist um einen Winkel α gegenüber der Rotationsachse 20 geneigt. Bei einem Neigungswinkel α von ca. 45° lassen sich sowohl in Richtung der Rotationsachse 20 verlaufende Werkstückoberflächen 17 als auch senkrecht dazu angeordnete Planflächen 18 bearbeiten, ohne dass der Laserkopf 16 bewegt werden muss.

1: Trägerelement
2: Bearbeitungszelle
3: Führungsbahn
4: Horizontalschlitten
5: Laserquelle
6: Schaltschrank
7: Kugelrollspindel
8: Motor
9: Vertikalschlitten
10: Führungsbahnen
11: Werkstückspindel
12: Spannmittel
13: Werkstück
14: Transporteinrichtung
15: Bearbeitungsposition
16: Laserkopf
17: Werkstückoberfläche
18: Planfläche
19: Einstrahlachse
20: Rotationsachse
21: Abschirmung
22: Blasluftstrahl

Claims

Verfahren zum Behandeln, insbesondere zum Reinigen, von Werkstückoberflächen mittels Laserstrahlung, mit einem Laserkopf (16) und diesem zugeordneter Werkstückspindel (11), die zum Greifen, Transportieren, Positionieren, Antreiben und Ablegen von Werkstücken (13) dient, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer für das Reinigen erforderlichen Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück (13) und Laserkopf (16) das Werkstück (13) um die Rotationsachse (20) rotiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der Reinigungsfläche die Rotationsbewegung des Werkstücks (13) durch eine Vorschubbewegung der Werkstückspindel (11) gegenüber dem Laserkopf (16) überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Einstrahlachse (19) unter einem Winkel α gegenüber der Rotationsachse (20) geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch eine Vorschubbewegung der Werkstückspindel (11) gegenüber dem Laserkopf (16) sowohl parallel zur Rotationsachse (20) verlaufende Werkstückoberflächen (17) als auch orthogonal dazu angeordnete Planflächen (18) beaufschlagt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkung des Laserstrahls durch einen Blasluftstrahl (22) unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Mustern der Laser winkelabhängig leistungsmoduliert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem ortsfest an der Bearbeitungszelle (2) angeordneten Laserkopf (16) und mit einer Werkstückspindel (11), die zum Greifen, Transportieren, Positionieren, Antreiben und Ablegen von Werkstücken (13) dient, die in Richtung der vertikal verlaufenden Z-Achse verfahrbar ist und in einem Schlitten (4) angeordnet ist, der auf horizontal verlaufenden Führungen (3) in X-Achsenrichtung verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlachse (19) des Laserkopfes (16) gegenüber der Rotationsachse (20) um einen Winkel α geneigt ist, und dass durch Bewegen der Werkstückspindel (11) in Richtung der X- und/oder Z-Achse sowohl parallel zur Rotationsachse (20) verlaufende Werkstückoberflächen (17) als auch orthogonal dazu angeordnete Planflächen (18) mit Laserstrahlung beaufschlagbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel α zwischen Einstrahlachse (19) und Rotationsachse (20) circa 45° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auffangen vom abgeschleuderten Schmutzpartikeln eine Abschirmung (21) vorgesehen ist.